第九章 分布式计算机控制系统
分布式控制系统概述PPT课件
DeviceNet
Foundation Fieldbus
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第二节 DCS组成
2.操作站： 完成人机界面功能、供操作员操作监视。
1. 画面种类：流程图、总貌、控制组、调整趋势、 报警归档等。
2. 宝钢高炉控制系统：800多幅流程图画面（操 作）、200多幅报警画面。
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第二节 DCS组成
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本章知识点
第一章 概述
1.分布式控制系统的概念 2.分布式控制系统的组成、结构 3.分布式控制系统的特点 4.分布式控制系统的体系结构
和技术特点 5.分布式控制系统的发展
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第一节 DCS概念
一、概念
• 分布式计算机控制系统又称集散控制系统，简称 DCS（Distributed Control System)
工厂停工，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、爆炸
等恶性事故，这就是所谓“危险集中”。
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☞而采用一台计算机工作、另一台计算机备用的双机双 工系统，或采用常规仪表备用方式，虽可提高控制系 统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大， 则经济性更差，用户难以接受。因此，有必要吸收常 规模拟仪表和计算机控制系统的优点，并且克服它们 的弱点，利用各种新技术和新理论，研制出新型的控 制系统。
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☞20 世纪 70 年代初，大规模集成电路的问世及微处理 器的诞生，为新型控制系统的研制创造了物质条件。 同时，CRT 图形显示技术和数字通信技术的发展，为 新型控制系统的研制提供了技术条件，现代控制理论 的发展为新型控制系统的研制和开发提供了理论依据 和技术指导。根据“危险分散”的设计思想，过去由 一台大型计算机完成的功能，现在可以由几十台甚至 几百台微处理机来完成。各微处理机之间可以用通信 网络连接起来，从而构成一个完整的系统。
计算机网络化控制
通信网络
控制器
网络控制系统
控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程， 控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，用于 工业生产现场的测量与控制信息传输， 工业生产现场的测量与控制信息传输，产生或引发物质或 能量的运动和转换， 能量的运动和转换，因此与一般的数据通信网络相比有起 特殊的要求。 特殊的要求。 （1）具有较好的响应实时性。控制网络不仅要求传输速度 具有较好的响应实时性。 而且在工业自动化控制中还要求响应快， 快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时 性要好，一般为10ms 10ms～ 性要好，一般为10ms～1s 级； 高可靠性。即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、 （2）高可靠性。即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、 耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性， 耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在 现场设备或网络局部链路出现故障的情况下， 现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的 时间内重新建立新的网络链路； 时间内重新建立新的网络链路； 简洁实用。以减小软硬件开销，从而减低设备成本， （3）简洁实用。以减小软硬件开销，从而减低设备成本， 同时也可以提高系统的健壮性； 同时也可以提高系统的健壮性； 具有好的开放性。控制网络尽量不采用专用网络。 （4）具有好的开放性。控制网络尽量不采用专用网络。
CSMA协议的冲突退避算法采用了二进制指数算法， CSMA协议的冲突退避算法采用了二进制指数算法，即根 协议的冲突退避算法采用了二进制指数算法 据冲突的历史估计网上信息量而决定本次应等待的时间。 据冲突的历史估计网上信息量而决定本次应等待的时间。 当发生冲突时， 当发生冲突时，控制器延迟一个随机长度的间隔时间后 重新发送数据， 重新发送数据，即：
第9章 分布式计算机系统ppt课件计算机操作系统汤小丹梁红兵版
的同步及控制是通过消息传递实现的。
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分布式计算机系统
9.2 分布式系统的设计
1．透明性(Transparency) 分布式系统的透明性具体表现在： (1) 位置透明性。在一个分布式系统中，用户不必 知道硬件或软件资源的具体位置。资源的名字不能用 资源的位置编码。
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分布式计算机系统
(2) 迁移(Migration)透明性。迁移透明性是指资源 可以随意从一个计算机(节点)迁移到另一个计算机上， 而无需改变资源的名字。 (3) 复制(Replication)透明性。复制透明性是指用户 不知道系统拥有多少副本。
(4) 故障检测与恢复及系统重构和可靠性等问题的
处理和实现都比较复杂。
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分布式计算机系统
9.1.2 分布式系统的特征 由分布式系统的定义可知，分布式系统是由多台 计算机组成的系统。更确切地说，分布式系统是具有 以下特点的多计算机系统。 (1) 分布性：组成系统的部件在物理上是分散的，
这些部件包括处理机、数据、算法和操作系统。
A1 An A2
A1
A2
A3
…
An A6 A5 A4
(a)
…
A3
(b)
图9.6 总线结构 (a) 线形总线；(b) 环形总线
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分布式计算机系统
7．立方体结构 立方体结构又称n维立方体分布式网络结构。这种
结构把2n＝N个计算机互连起来，各计算机分别位于该
立方体的角顶。立方体的每条边把两个场点连接起来， 而每个场点则有n个全双向通路把它和n个其他计算机
第9章
分布式计算机系统
9.1 分布式计算机系统
9.1.1 概述 网络技术的发展使一些计算机系统从集中式走向 分布式，那么什么是分布式系统呢?分布式计算机系统 (Distributed Computer Systems)是由多个分散的计算机 经互连网络连接而成的计算机系统。
深入了解计算机操作系统的分布式系统
深入了解计算机操作系统的分布式系统分布式系统是计算机操作系统中一个十分重要的概念，它在现代计算机系统中发挥着关键的作用。
深入了解分布式系统不仅能帮助我们更好地理解计算机操作系统的工作原理，还能为我们在实践中设计和实现高效可靠的分布式系统提供有益的指导。
本文将从分布式系统的定义、特点、架构以及应用等角度，深入探究计算机操作系统中的分布式系统。
一、定义分布式系统，顾名思义，就是由多个计算机节点组成的系统，这些节点通过网络进行通信和协作，共同完成一定的计算任务。
分布式系统的核心目标是将计算任务按照合适的策略分配给不同的节点，并通过消息传递等方式实现节点之间的协调和合作，最终达到提高计算效率、可靠性和扩展性的目的。
二、特点1. 分布性：分布式系统中的节点可以分布在不同的地理位置，可以是位于同一个局域网中的计算机，也可以是分布在全球各地的服务器。
这种分布性使得分布式系统能够通过就近调用和数据复制等策略提高计算效率和可用性。
2. 并发性：分布式系统中的节点可以同时执行不同的任务，并通过消息传递等方式进行通信和协调。
这种并发性使得分布式系统能够处理大量的并发请求，并提供高吞吐量和低延迟的服务。
3. 故障容忍性：由于分布式系统中的节点数量众多，节点之间可能存在网络故障、硬件故障等各种不可预测的问题。
为了保证系统的可靠性，分布式系统需要具备一定的故障容忍能力，例如冗余备份、错误检测和恢复等机制。
4. 可扩展性：分布式系统往往需要应对日益增长的数据和用户规模，因此具备良好的可扩展性是其重要特点之一。
通过增加计算节点和优化系统架构，分布式系统能够有效地应对规模的增长，保证系统的性能和可用性。
三、架构分布式系统的架构可以根据不同的需求和应用场景选择合适的设计模式和技术。
目前常见的分布式系统架构包括：1. 客户端-服务器架构：这是最常见的分布式系统架构，客户端通过网络连接到服务器进行请求和响应。
服务器负责处理客户端的请求，返回相应的结果。
分布式控制系统的设计与实现分享分布式控制系统的设计原则方法和实践
分布式控制系统的设计与实现分享分布式控制系统的设计原则方法和实践分布式控制系统是一种将控制功能分散到多个节点上，并通过网络相互协作完成控制任务的系统。
它具有高可靠性、高可扩展性和高性能等优点，广泛应用于工业自动化、交通管理、电力系统等领域。
本文将分享分布式控制系统的设计原则、方法和实践。
1.设计原则（1）模块化：将系统划分为多个功能模块，每个模块独立且具有清晰的接口。
这样可以降低系统的复杂性，方便模块替换和维护。
（2）分布式：将控制功能分散到多个节点上，使得系统能够同时处理多个任务，提高系统的并发性和处理能力。
（3）容错性：通过采用冗余设计、容错算法等手段，提高系统的可靠性和容错能力，确保在一些节点或通信链路故障时依然能够正常运行。
（4）实时性：分布式控制系统通常要求对输入输出数据进行实时处理和传输，因此需要设计合理的实时通信机制和算法，保证及时响应和高效传输。
2.设计方法（1）系统拓扑结构设计：分布式控制系统的拓扑结构包括中心控制、客户端-服务器和对等网络等形式。
根据实际需求选择合适的拓扑结构，确保系统能够满足通信和控制要求。
（2）通信协议设计：采用合适的通信协议进行节点之间的数据传输，如TCP/IP、CAN等。
通信协议的选择需考虑数据传输速度、带宽、实时性和安全性等方面。
（3）任务分配算法设计：根据系统的控制需求和节点的计算能力，设计合理的任务分配算法，确保各个节点之间的任务分配均衡，提高系统的性能和效率。
（4）容错设计：采用冗余设计，如备份控制器、多路径通信等手段，提高系统的容错能力，确保在一些节点或链路故障时仍能够正常工作。
3.实践经验（1）合理规划系统资源：合理分配系统的计算资源、存储资源和通信带宽，确保系统能够满足实时性和性能要求。
（2）合适的时钟同步：分布式系统中节点的时钟需要保持同步，以确保节点之间的时序一致性。
可采用NTP等时钟同步协议进行同步。
（3）故障检测与恢复：分布式控制系统中，对故障的检测和恢复至关重要。
分布式控制系统DCS课件
数据采集
DCS能够实时采集各种传感器和测量 仪表的数据，如温度、压力、流量等， 并进行预处理，如数据滤波、去噪等。
数据处理
DCS对采集到的数据进行计算、分析 和处理，生成各种控制参数和运行状 态信息，如平均值、积分值、微分值 等。
监控与操作
监控功能
DCS能够实时监控生产设备的运行状 态和工艺流程，提供可视化的界面， 方便操作人员掌握系统运行情况。
优化控制与决策支持
优化控制
DCS采用先进的控制算法和优化技术，对生产过程进行优化控制，提高Biblioteka 产效率 和产品质量。决策支持
DCS能够根据生产数据和运行状态信息，提供决策支持功能，帮助企业做出科学 合理的决策。
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DCS的关键技术
通信技 术
总结词
通信技术是分布式控制系统DCS中的关键技术之一，它负责各节点之间的数据传输和信 息共享。
实时数据库技术是分布式控制系统DCS中的重要技术之一，它负责存储和管理实时数据，支持系统的实时监控和 数据处理。
详细描述
实时数据库技术是分布式控制系统DCS的核心组成部分之一，它负责存储和管理系统的实时数据。实时数据库需 要具备高效的数据存储和检索能力，能够快速响应系统的实时监控和数据处理需求。此外，实时数据库还需要具 备数据备份和恢复功能，以确保数据的可靠性和安全性。
人机界面技 术
要点一
总结词
人机界面技术是分布式控制系统DCS中实现人机交互的关 键技术之一，它提供友好的用户界面和操作体验。
要点二
详细描述
人机界面技术是分布式控制系统DCS中不可或缺的一部分， 它提供了一个直观、易用的用户界面，使用户能够方便地 进行系统监控和操作。人机界面技术需要设计出符合用户 需求的界面风格和布局，提供丰富的图形、文字、声音等 多媒体信息，并支持多种交互方式，使用户能够快速获取 所需信息并进行操作。
分布式计算机控制系统
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一、DCS的构成
3.工程师站组态软件
（1）组态
“组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”
等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自
分布式计算机控制系统
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一、DCS概述
分布式计算机控制系统 (Distributed Control System)，简称DCS，通常也称为集散控制系统。 DCS的控制功能，主要由计算机（Computer）、控 制技术（Control）、显示技术（CRT）和通信技术 （Communicate）来完成，一般也称为4C技术，4C 技术是DCS系统的四大支柱。DCS中通信技术更为重 要，操作员站的操作、工程师站系统的组态以及现 场设备信息的交换都依靠通信技术来完成。
计算站等
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一、DCS的构成
4、 全厂优化和调度管理级（决策管理层） （1）从系统的观点：原料到销售进行优化协调，优化控制 （2）协调和调度各车间生产计划和各部门的联系； （3）主要数据的显示、存储和打印；数据通信。 主要设备：大型机、中型机、微机
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一、DCS的构成
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一、DCS的构成
（二）DCS的硬件结构 DCS系统基于分级分布式网络结构连接各硬件单元或者硬件模 块。 硬件系统主要包括：控制单元、输入/输出单元、电源单元、 控制网络及设备、系统网络及设备、操作员站、工程师站、 监控计算机站、机柜和操作台等。
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一、DCS的构成
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一、DCS的构成
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一、DCS的构成
DCS功能的构成反映了DCS的“分散控制、集中管 理”的特点。 从功能上看可以分为：四个层次，分别是现场控 制级的功能；过程装置控制级；车间操作管理级； 全厂优化和调度管理级。 从结构看分为：三大块，分别是分散过程控制装 置；集中操作和管理系统；通信系统。
分布式控制系统
分布式控制系统分布式控制系统是最流行的，它是专门设计的冗余和诊断功能，以提高控制的可靠性和性能。
它为控制分布式离散现场设备及其操作站提供了更大的灵活性。
在这个革命性的技术时代，工业自动化系统应用先进的自动化控制技术，以更好地控制复杂过程的性能。
为了提高可靠性，生产力和质量，同时最大限度地降低生产成本，过程控制行业必须由具有高分布式控制能力的集成控制器驱动。
什么是分布式控制系统分布式控制系统是一种专门设计的控制系统，用于控制工业过程中复杂，大型和地理分布的应用。
在此，控制器分布在整个工厂区域。
这些分布式控制器通过高速通信网络连接到现场设备和操作PC，如图所示。
分立式现场设备（如传感器和执行器）通过通讯总线直接连接到输入和输出控制器模块。
这些现场设备或智能仪器能够与PLC或其他控制器进行通信，同时与现实世界的参数如温度，压力等进行交互。
控制器在地理上分布在控制区域的各个部分，并通过另一个高速通信总线连接到用于数据监视，数据记录，报警和控制目的的操作和工程站。
这些通信协议是不同类型的，例如基础现场总线，HART，Profibus，Modbus等。
DCS 为多个显示器提供用于用户界面的信息。
分布式控制系统的4个基本要素分布式控制系统不断地与过程控制应用中的过程进行交互，从而得到操作者的指示。
它还有助于操作员手动控制阀门的可变设定点和开关。
其人机界面（HMI），面板和趋势显示器可以有效监控工业过程。
工程PC或控制器该控制器是所有分布式处理控制器的监督控制器。
控制器执行各种设备的控制算法和配置。
处理和工程PC之间的网络通信可以通过单工或冗余配置来实现。
分布式控制器或本地控制单元它可以靠近现场设备（传感器和执行器）或通过通信链路连接这些现场设备的特定位置。
它接收来自工程师站的指令，如设定点和其他参数，直接控制现场设备。
它可以通过模拟和数字I / O模块来感应和控制模拟和数字输入/输出。
这些模块可根据输入和输出的数量进行扩展。
《分布式操作系统》课件
人工智能与分布式操作系统
01
人工智能技术的发展需要强大 的计算能力和数据处理能力， 分布式操作系统能够为此提供 有力支持。
02
分布式操作系统通过集成人工 智能算法和框架，可以实现机 器学习、深度学习等复杂计算 任务的分布式处理。
03
人工智能与分布式操作系统结 合，可以提高人工智能应用的 性能和效率，推动人工智能技 术的快速发展和应用。
分布式系统特点
分布式系统具有并行性、透明性、可 扩展性和可靠性等特点。
分布式系统的通信协议
通信协议分类
分布式系统的通信协议 可以分为基于消息传递 、基于远程过程调用和 基于Web服务等方式。
通信协议实现
通信协议的实现需要考 虑数据传输的可靠性、 实时性和安全性等问题 。
通信协议选择
选择合适的通信协议对 于分布式系统的性能和 稳定性至关重要。
阐述负载均衡的概念、分类和应用场景，以 及如何实现负载均衡。
资源监控与故障处理
讨论如何监控分布式资源的使用情况，以及 在出现故障时的处理和恢复机制。
04 分布式操作系统的实例分析
Google的分布式操作系统
01
分布式文件系统
Google File System（GFS）为 Google的大规模分布式计算提 供了可靠的、可伸缩的存储服务 。
大数据处理与分布式操作系统
大数据时代产生了海量的数据，需要分布式系统进行高效处理和分析。
分布式操作系统在大数据处理中扮演着核心角色，提供数据分片、任务调 度、容错处理等功能，确保大数据处理的效率和准确性。
随着大数据技术的不断发展，分布式操作系统需要不断优化和改进，以适 应不断增长的数据处理和分析需求。
02
分布式计算框架
计算机控制技术习题—广州工业大学
1.1 什么是计算机控制系统？它由哪几个部分组成？1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？1.3 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？1.4 工业控制机的哪几个部分组成？各部分的主要作用是什么？工业控制机的特点有哪些？1.5 什么是总线、内部总线和外部总线？1.6 PC总线和STD 总线各引线的排列和含义是怎样的？1.7 RS-232C 和 IEEE-488 总线各引线的排列和含义是怎样的？2.1 什么是接口、接口技术和过程通道？2.2 采用74LS244和74LS273与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量(开关量)输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字输入和数字输出程序。
2.3 采用8位 A/D 转换器 ADC0809 通过 8255A 与PC总线工业控制机接口，实现8路模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
2.4 用12位 A/D 转换器 AD574 通过 8255A 与PC总线工业控制机接口，实现模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出A/D转换程序。
2.5 请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图,并分别说明各元器件的作用？2.6 什么是采样过程、量化、孔径时间？2.7 采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟器输入通道中都需要采样保持器？为什么？2.8 一个8位 A/D 转换器，孔径时间为100μs, 如果要求转换误差在A/D 转换器的转换精度 (0.4 %) 内，求允许转换的正选波模拟信号的最大频率是多少？2.9 试用 8255A 、AD574、LF398、CD4051 和PC总线工业控制机接口，设计出8路模拟量采集系统。
请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量的数据采集程序。
2.10 采用DAC0832和PC总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A转换程序。
2.11 采用 DAC1210 和PC总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A转化程序。
分布式控制系统的体系结构
2.2 DCS的分散方式和体系结构
分布式控制系统的分散方式包含功能分散、 物理分散和地理分散三个不同的概念
体系结构：分级递阶控制结构 信息结构：自下向上逐渐集中，自上而下
逐渐分散。
2.2.1 DCS的分散方式
分布控制系统典型结构
分布控制系统典型结构
1.现场级
现场级设备：传感器、变送器和执行器 现场级的信息传递方式：
（1）传统的4～20mA 模拟量传输方式 （2）现场总线的全数字量传输方式 （3）在4～20mA模拟量信号上，叠加上调制后的
数字量信号的混合传输方式 现场信息传递方式发展方向：以现场总线为基础 的全数字传输
FF-H1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
HART
AC 800F
HSE
FIO 100
FF-H1
FF -总线设备与系 统连接
AC800F 系统结构
Ethernet FieldController
DP
Freelance 100
Remote I/O ( e.g. S800 )
管理或运行管理人员。 主要任务：监测企业各部分的运行情况，利用
历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况， 从企业全局利益出发辅助企业管理人员进行决 策，帮助企业实现其规划目标。
管理级属于厂级，可分成实时监控和日常管理两 部分。
实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的运 行管理层，承担全厂性能监视、运行优化、全厂 负荷分配和日常运行管理等任务，主要为值长服 务。
2.1 DCS的结构 2.2 DCS的分散方式和体系结构
2．1 DCS的结构
分布式计算机控制系统 ppt课件
3.工程师站组态软件 （1）组态 “组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设 置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完 成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序。就是 用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务 的过程。 一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态形成的数据只 有其制造工具或其他专用工具才能识别。
3.工程师站组态软件 （2）主要功能 实现实时数据库组态 系统硬件组态 历史记录组态 报警组态 在线下装
控制算法组态 画面组态 报表组态 在线组态 安全性组态等功能。
（二）DCS的网络结构 1、DCS的控制网络CNET 控制站内部使用的冗余实时网络，实现在控制站内部各个智 能I/O模板和控制板之间信息传递。 2、DCS的系统网络SNET DCS的中枢，应具有良好的实时性、快速的响应性、极高的 安全性和网络的开放性等特点，选用局域网。 传输介质：同轴电缆或光缆
DCS功能的构成反映了DCS的“分散控制、集中管 理”的特点。 从功能上看可以分为：四个层次，分别是现场控 制级的功能；过程装置控制级；车间操作管理级； 全厂优化和调度管理级。 从结构看分为：三大块，分别是分散过程控制装 置；集中操作和管理系统；通信系统。
（一） DCS系统的层次结构 1、 现场控制级（直接控制层） （1）微处理器进入现场变送器、传感器和执行器；部分或 完全完成过程控制级的功能； （2）采集过程数据，对数据进行数据转换； （3）输出过程操作命令； （4）进行直接数字控制； （5）完成与过程装置控制级的数据通信； （6）对现场控制级的设备进行检测和诊断。 主要设备：控制站（包含输入输出单元（IOU）、控制单元 （CU）、电源单元（PU））
（3）实时数据库 实时数据库的存取形式： 1）输入输出模块取得通道信息和转换信息后，经运算后将 运算结果存回数据库。 2）控制算法从数据库中取得运算所需要的各种变量值，并 把控制结果写回数据库。 3）网络通信模块周期性的从数据库取得各记录的实时值并 广播到网络上，以刷新其他站的数据库，同时不断接受网络 上的控制信息包，并将该信息写回该点的记录中。
分布式计算机控制系统DCS特点及在火电厂自动化控制中的应用
分布式计算机控制系统DCS特点及在火电厂自动化控制中的应用摘要：伴随着我国经济的发展和工业化水平的提升，用电量迅速攀升，火电厂的发电量和工作强度也在不断增加。
同时在信息化和智能化技术的渗透下，火电厂也开始积极朝向自动化控制的方向发展，极大的提升了发电效率，降低了人工劳作强度。
因此文章重点就DCS系统的特点及其在火电厂自动化控制中的应用展开相关探讨。
关键词：DCS系统；火电厂；自动化控制；应用随着我国用电需求的不断增长，对火电厂的发电能力和可持续发展提出了更高的要求。
自动控制系统的应用大大提高了火电厂的工作效率，受到电力企业的高度重视。
1火电厂自动化控制功能1.1监控功能和自主调节功能自动控制系统可以监控火电厂各设备的相关参数和工作流程，并将实际时间反映到控制终端。
当有关参数与正常数据的差异超过允许范围时，系统会报警，并调整设备和生产参数，以确保安全生产，提高生产效率。
例如，在火力发电厂的煤炭自动运输系统中，操作人员和工程师可以在主控制室完成煤仓运输、煤仓容量监控等工作，大部分工作由自动控制系统完成。
操作人员只需完成日常检查，确认自动输煤系统无故障即可。
1.2保护功能火电厂自动控制系统具有强制停机功能。
一旦发生生产事故，自动控制系统将强制关闭机器的工作过程，以避免事故的进一步恶化，保护工作人员的人身安全，避免机器和设备的完全损坏。
2分布式计算机控制系统DCS特点分散控制系统，或称DCS，其系统组成如图1所示。
主要采用计算机集成控制。
DCS控制系统是“集中”与“分散”的结合，主要包括运行的集中管理与控制、监控与管理。
此外，还可以实现上述内容的分散控制。
通过使用微型计算机，DCS系统在功能上是分散的、分层的。
随着科学技术的进步，控制中心与各子系统之间的联系越来越紧密，动作和指令的执行越来越协调。
图1DCS系统构成DCS是一种集成了计算机技术，通信，控制和网络技术的小型计算机控制系统。
它由操作站、通信网络和控制站构成，操作站的主要功能是监测场地的各项指标，经许可后，还可以实现工程站的维护和配置。
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工
业
对
象
上图中管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财 务管理、人员管理以及工艺流程管理等功能，以实现 生产过程的静态最优；监控计算机通过协调各基本控 制器的工作，达到过程的动态最优化；基本控制器则 完成过程的现场控制任务；CRT操作站是显示操作装 置，完成人－控制系统－过程的接口任务。数据采集 器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。
3）分布式控制系统 分布式控制系统是先进的控制方案 优点： ①采用分布式控制结构，各控制器的任务明确，计算 量平衡，因此效率更高； ②在物理上的分散结构，采用现场总线等通信技术， 减少了干扰和故障，同时大大节省了电缆； ③实现分布控制、集中管理，降低了风险； ④系统构成模块化，重构简单。 缺点：技术比前两种控制方法稍复杂一些、运行经验相 对少一些，系统构造成本较高。
9.2 DCS的结构
一、DCS设计的基本原则：
2）计算机集中控制系统 集中式控制系统是指那种将过程数据输入输出、实时 数据库的管理、实时数据的处理与保存、历史数据库 的管理、历史数据处理与保存、人机界面的处理、报 警与日志记录、报表直至系统本身的监督管理等所有 功能集中在一台计算机中的那种系统。 优点：结构简单、清晰，集中式的数据库很容易管理， 并容易保证数据的一致性。 缺点：系统实时性、可靠性、可扩充性比较差。
分层控制是一种按控制任务进行分解的结构方案，它 把控制任务分成几个不同的层次，由各层控制器分别 完成，下层任务的目标函数受上层控制器决策的影响。 分级控制是一种按对象结构进行分解的结构方案，它 把对象划分成若干个子系统，由各局部控制器完成现 场控制任务，协调控制器通过控制几阶递阶控制器完 成局部控制器之间的协调； 分段控制则是按控制过程的时序进行分解的结构方案， 它把控制过程分成几段，在每段时间内由不同的控制 器完成对现场的控制，协调切换器则按衔接条件进行 各段控制器的切换控制。
第9章 分布式计算机控 制系统及先进控制
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 概述 DCS的结构 DCS的基本控制器 DCS控制技术的发展 先进控制
9.1 概述
随着工业现代化的发展，生产规模不断扩大，生 产工艺日趋复杂，对实现生产过程自动控制的系统提 出了更高的要求，不但要求系统有优越的控制性，还 要求高可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法。 而以往的模拟仪表控制系统和计算机直接数字控制系 统很难同时满足这些要求，因而必须寻找更有效的控 制系统。大系统理论证明，分级分布式控制是实现大 系统综合控制的理想方案。这种采用危险分散、控制 分散，而操作和管理集中的新型过程控制系统，比较 合理地吸取了仪表控制系统和计算机控制系统的长处， 有效地克服了两者的缺点。
4）通信系统的可靠性措施
通信系统和电源一样是系统的公共部分，对可靠性要求很高，具体 措施如下表
传输链路的双重化原理如下
5）其它可靠性和安全性措施 • 所有I/O卡都具有良好的浪涌电压吸收器和滤波、 屏蔽等措施。 • 在操作站区分工程师键盘和操作员键盘，系统组态、 维护、检查等需用工程师键盘，操作员键盘只能做 一般的工艺操作。参数显示和整定等，并且还有键 锁等手段，以防止人为的事故。 • 在DCS的监督管理计算机这一级上，还采用一系列 安全保密措施，如各种特权命令，对数据库和文件 资源进行保护。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 分布式控制系统的基础知识
现代工业过程对控制系统的要求已不局限于能实现自 动控制，还要求工业过程能长期在最佳状态下运行。 因此是一个对整体的总目标函数进行最优化的问题 （即所谓生产过程的综合自动化问题）。总体的目标 函数不但包括产量、质量等指标，还包括能耗、成本、 污染等各种指标，这些指标反映着技术、经济、环境 等各方面的要求。 整体的最优化可分成动态最优化（“在线”最优化） 和静态最优化（离线最优化）两个方面。 递阶分级控制的方案被认为是目前实现大系统综合控 制的理想方案。递阶控制还有以下三种形式：
同时具有多种递阶控制形式的控制系统，称 为分级分布式控制系统，简称分布式控制系 统（Distribute Control System,DCS)。
管理计算机
监控计算机 大 规 模 中 规 模
CTR操作台
高 速 数 据 通 道
图 9 － 2
DEP 面板
小 规 模
基本 控制器
数据 采集器
基本 控制器
2）冗余化结构 i. 用多重化构成的自动备用方式 这是对设备部件加以双重化、三重化设置，一旦发生故 障，用其它部件或设备作后备，具体有以下方式： • 同步运转方式 • 待机运转方式 • 后退运转方式 ii. 用简易手段的备用方式（手动备用）
3）CRT操作台的可靠性 采用多台CRT相互备用，此时数据库必须做成分散型结 构。除了采用冗余结构外，CRT还有一项提高可靠性的 重要措施，就是具有故障的顺序报警（历史报警）画面。
3 分布式控制系统(DCS)的可靠性
可靠性是计算机控制系统的一个最重要的指标，DCS所 固有的分散式体系结构，决定了其可靠性要大于集中式 DDC控制方式。 1）DCS的分散化结构 DCS又叫分散控制系统，是松耦合的多处理机系统，它 不同于共享内存的紧耦合多处理机系统，其每个子系统 都有很强的独立处理能力。分散方式表现在： i. 组织上的分散 ii. 功能和地域上的分散 iii. 负荷分散 iv. 数据库分散其，其中DCS采用的分散型数据库主要 有：分隔型和重复型两种。
2 各类控制系统的特点与比较
1） 常规仪表控制系统 常规仪表控制系统，经历了基地式调节器、单元组合 式仪表及组件组装式控制器3个发展阶段，控制功能 不断完善。但随着生产规模的不断扩大，仪表控制系 统日益暴露出了它的局限性。 优点：技术简单、成本低、使用经验较成熟，在实际工 业领域应用广泛。 缺点： 在控制性能上不能实现复杂控制算法，难于实现分级 控制系统。 在人机联系上，随着生产规模的扩大，难于实现集中 监视和集中操作。 在系统组成上，中央控制室结构使系统重构困难、控 制风险集中。